管柱自動化處理系統在石油鉆機改造升級中的應用研究

魯鵬程，周華妮，韓亞洲，吳瀚，藺鵬博

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002）

1 前言

石油鉆機作為石油勘探開發的重要設備，其性能和效率直接影響石油鉆井的成效。隨著石油工業的發展和技術進步，對石油鉆機的自動化水平和效率要求越來越高。為了滿足這一需求，管柱自動化處理系統在石油鉆機改造升級中得到了廣泛應用。其中，管柱自動化處理系統是一種利用先進的自動化技術和設備，對石油鉆機中的管柱進行自動化處理和管理的系統。該系統包括鉆臺面排管機械手、液壓鉗智能控制系統、吊卡智能控制裝置、動力貓道和集中鉆井控制系統等組成部分，本文將詳細介紹管柱自動化處理系統在石油鉆機改造升級中的應用，并探討其在提高鉆機自動化水平和效率方面的重要性和作用。通過對該系統的分析和研究，本文旨在為石油鉆機改造升級提供有益的參考和指導，進一步推動石油鉆機技術的發展和應用。

2 管柱自動化處理系統

適用于升級改造鉆機的管柱自動化處理設備主要包括鉆臺面排管機械手、液壓鉗智能控制系統、吊卡智能控制裝置、動力貓道和集中鉆井控制系統等。

2.1 鉆臺面排管機械手

鉆臺面排管機械手是管柱自動化處理系統的重要組成部分，主要負責在鉆臺上排列和整理管柱。能夠自動抓取和放置鉆桿、鉆鋌和套管等管柱，減少人工操作的需求，提高工作效率和安全性。具體鉆臺面排管機械手操作步驟如圖1 所示。

圖1 鉆臺面排管機械手操作步驟圖

如圖1 所示，在開始鉆井作業前，需將鉆臺面排管機械手安裝在鉆臺上，并對其進行檢查和維護，確保其正常運行。鉆臺面排管機械手的安裝位置通常位于鉆臺的中心部位，距離鉆臺邊緣1000mm 左右。其檢查和維護內容包括：檢查機械手的各個部件是否完好，如夾具、臂架、電機等；檢查機械手的電纜是否完好無損；檢查機械手的控制系統是否正常工作。檢查完畢后，開啟鉆臺面排管機械手的控制系統，啟動機械手?？刂葡到y會自動進行自檢，確保各個部件正常工作。自檢過程通常需要2 ～3min。自檢內容包括：檢查電機是否正常工作；檢查夾具是否能夠正常打開和關閉；檢查臂架是否能夠正常移動。接著，操作人員將通過控制系統輸入指令，告訴機械手需要處理的管柱類型、規格和排列方式，相應控制系統會根據指令生成相應的操作程序。例如，如果需要處理的管柱類型為油管，規格為φ62.5mm，排列方式為垂直排列，操作人員需要在控制系統中輸入這些信息。機械手根據控制系統的指令，自動抓取鉆臺上的管柱。抓取過程中，機械手會根據管柱的形狀和規格，調整夾具的力度和位置，確保夾緊并安全運輸。夾具的力度通常為500N 左右，可以根據管柱的規格和材質進行調整。同時，機械手將抓取的管柱按照預定的排列方式進行擺放，在排列過程中，機械手可以靈活調整管柱的位置，確保管柱的有序排列。如果預定的排列方式為垂直排列，機械手會將管柱垂直放置在鉆臺上。當管柱排列完成后，機械手會將其放置在指定的位置，然后釋放管柱。此時，管柱自動脫離機械手，并保持穩定的放置狀態。管柱的放置位置通常為鉆臺邊緣的指定區域。在鉆臺面排管機械手完成一次管柱處理任務后，機械手會根據控制系統的指令，繼續進行下一次操作。如此循環，直至完成所有管柱的處理任務。一次管柱處理任務通常需要2 ～3min。最后，在機械手完成鉆井作業后，操作人員可以通過控制系統關閉鉆臺面排管機械手，結束作業。關閉機械手后，可以對其進行檢查和維護，為下次鉆井作業做好準備。

2.2 液壓鉗智能控制系統

液壓鉗智能控制系統是一種采用先進控制技術和液壓驅動原理的控制系統，主要應用于液壓鉗等工程機械的自動化控制。該系統通過實時采集和處理各種傳感器信號，實現對液壓鉗的工作狀態和執行任務的精確控制，提高工作效率和安全性。液壓鉗智能控制系統的主要組成部分如下。

（1）控制器。控制器是液壓鉗智能控制系統的核心部分，負責接收來自傳感器的信號，傳感器將實時監測液壓鉗的工作狀態和環境信息，如壓力、流量、位置、速度等，并將監測到的信息轉換為電信號傳輸給控制器，由控制器進行處理和分析，若傳感器輸出的是模擬信號，控制器需要通過模數轉換器（ADC）將其轉換為數字信號，具體ADC 計算如式（1）所示：

式中，d_v是數字輸出值，ADC 是模數轉換器的分辨率，a_l是模擬輸入值，AREF 是模數轉換器的參考電壓。在轉換信號的過程中，控制器為了減少噪聲和干擾，需要使用一階低通濾波對信號進行濾波處理，具體濾波計算如式（2）所示：

式中，outp 是濾波后的輸出，inp 是輸入信號，T 是濾波器的采樣周期。將信號處理完畢后，控制器需根據預設的程序和算法生成PID 控制指令，實現對液壓鉗的精確控制。具體PID 表達式如（3）所示：

式中，outp 是是控制指令，er 是設定值與實際值之間的誤差，Kp、Ki、Kd 是比例、積分、微分系數。

（2）執行器驅動。將控制器生成的控制指令精確地轉換為機械動作，以完成特定的任務，如夾緊、松開、移動等。在這個過程中，控制器起到大腦的作用，分析情況并生成指令，而執行器則是肌肉，根據這些指令執行具體的動作。以液壓鉗為例，當控制器檢測到需要閉合或打開液壓鉗的時候，會生成相應的控制指令。這些指令通過執行器驅動，傳遞給液壓馬達或液壓缸等執行器。執行器接收指令后，通過液壓系統將電能轉化為機械能，進而驅動液壓鉗完成開合的動作。

（3）通信模塊。負責實現控制系統與外部設備的數據交互。這種數據交互可以包括與上位機、其他設備進行通信，以實現遠程監控和控制。在通信模塊的設計和實現過程中，需要使用差錯控制檢測和糾正數據傳輸過程中出現的錯誤。常見的差錯控制方法為循環冗余校驗，該控制方法通過計算數據的冗余校驗碼來檢測動作是否錯誤，首先，選定一個生成多項式G 和一個初始值I，然后對數據進行除法運算和模運算，得到CRC 校驗碼。假設有一個數據位序列為：b1,b2,b3,...bn，其中，bi 表示數據位，則生成多項式是G,初始值是I。CRC 計算如式（4）所示：

式中，C 是CRC 校驗碼，n 是數據位的長度。通過以上計算公式，通信模塊可以實現對數據傳輸過程中的錯誤檢測和糾正，提高通信的可靠性和穩定性。

2.3 吊卡智能控制裝置

吊卡智能控制裝置是管柱自動化處理系統的一個重要組成部分，也是一種應用于吊卡設備中的控制系統，能實現對吊卡設備的自動化、智能化控制。在石油鉆機的改造升級中，吊卡智能控制裝置的應用可以實現對吊卡設備的實時監控和控制，提高設備的工作效率和安全性。其可以通過傳感器實時監測吊卡設備的工作狀態和環境信息，如負荷、速度、位置等，然后將這些信息發送至控制器，作為控制決策的依據?？刂破髟偻ㄟ^執行器將控制指令轉化為實際的機械動作，如驅動吊卡設備的電機、液壓馬達等。

2.4 動力貓道

在石油鉆機的改造升級中，動力貓道可以實現對吊卡設備的實時監控和控制。具體動力貓道示意如圖2所示。

圖2 動力貓道示意圖

如圖2 所示，動力貓道作為鉆井管柱自動化處理系統中的重要組成部分，其主要組成部分如下。

（1）底座。作為動力貓道的基礎部分，用于支撐整個系統的運行。

（2）液控系統。是動力貓道中負責液壓控制的部件，通過調節和控制液壓流量和壓力，來驅動動力貓道的各個運動部件。液控系統的精確控制對于確保鉆井管柱的準確位置和速度至關重要。其中，變量泵是液控系統的核心部件，通過改變泵的轉速和調節泵的偏心距，實現液控。通常情況下，泵的流量與轉速之間成正比例關系，具體泵的轉速與流量的表達式如（5）所示：

式中，Q 是泵的流量，m3/s；K 是比例常數，表示泵每轉一轉所輸出的流量；n 是泵的轉速，轉/分鐘。

此外，在液控系統中，泵的偏心距也是影響泵流量的重要因素。泵的偏心距是指泵內部轉子與泵殼之間的徑向距離。值得注意的是，泵的流量與偏心距之間也成正比例關系。通過調整泵的偏心距，可以實現對液壓流量的精確控制。具體泵的偏心距與流量的表達式如（6）所示：

式中，Q 是泵的流量；e 是泵的偏心距，m；C 是比例常數，表示泵每增加一個單位的偏心距所輸出的流量。在實際應用中，調整泵的轉速或偏心距時，要綜合考慮系統的壓力、功率等參數，以確保系統的穩定運行。

（3）坡道。主要用于引導鉆井管柱的移動。坡道的設計和角度對于管柱的順利移動至關重要，需要確保管柱在運輸過程中既穩定又順暢。一般坡道的角度需控制在30°～60°，這個角度既可以保證管柱的穩定，又可以方便管柱的移動。需要注意的是，坡道的角度并不是一成不變的，它會根據實際的鉆井需求和條件進行調整。例如，如果管柱比較重，或者地面的摩擦力比較大，那么坡道的角度可能會相對較小。反之，如果管柱比較輕，或者地面的摩擦力比較小，那么坡道的角度可能會相對較大。

（4）輸送架。負責實際承載和運輸鉆井管柱的部件。其中支架是輸送架的主要結構部分，通常由堅固的金屬制成，如鋼或鑄鐵。支架的設計需要能夠承受鉆井管柱的重量和運輸過程中的各種力。而輸送架上的滾輪用于減少輸送架移動時的摩擦力，使得輸送架可以更輕松地移動。此外，一些輸送架可能需要驅動裝置，如電機或液壓馬達，用于提供動力，使輸送架能夠根據需要移動。

（5）支撐臂。連接輸送架和液控系統的部件，主要作用是在液控系統的驅動下，支撐和調節輸送架的位置和角度，從而確保鉆井管柱能夠精確地定位和移動。

（6）貓道主體。是動力貓道的核心部分，通常是一個復雜的機械結構，集成了上述所有部件，并且通過精確的設計和制造，確保整個系統的順暢運作。

這些部分相互關聯，共同構成了動力貓道這一高效的鉆井管柱自動化處理系統。每個部分都發揮著不可或缺的作用，以確保鉆井作業的順利進行，提高鉆井作業的效率和安全性。

2.5 集中鉆井控制系統

集中鉆井控制系統是一種高度集成的鉆井設備控制系統，它通過將各種鉆井設備和部件連接到一個統一的控制平臺上，實現對整個鉆井過程的實時監控和精確控制。這種系統的目的是提高鉆井作業的效率、安全性和準確性。具體集中鉆井控制系統組成如圖3 所示。

圖3 集中鉆井控制系統組成圖

如圖3 所示，集中鉆井控制系統通過安裝在鉆井設備上的傳感器和監測設備，實時采集鉆井過程中的各種數據，如鉆井深度、轉速、泥漿壓力等，并通過數據傳輸系統將數據發送到控制中心?？刂浦行慕邮盏綄崟r數據后，通過數據處理和分析，對鉆井過程進行實時監控和控制，并根據所接收的數據報告調整鉆井參數、監測異常情況、預測并處理潛在問題等。且集中鉆井控制系統通常需具備可視化功能，可以將鉆井過程中的各種數據以圖形化界面展示，便于操作人員了解鉆井情況，同時系統還設有報警裝置，當發生異常情況時，可以及時通知操作人員采取相應措施。此外，系統還可以實現遠程監控和診斷，使操作人員可以在遠程控制中心實時查看鉆井過程，并遠程控制鉆井作業，這有助于提高鉆井作業的安全性，尤其是在復雜和危險的環境中。最后，系統可以將鉆井過程中的歷史數據存儲起來，進行后期分析和研究，以便優化鉆井參數、提高鉆井效率和安全性。通過這樣的方式，集中鉆井控制系統確保石油鉆機改造升級的高效、安全和準確性。

3 管柱自動化處理系統石油鉆機改造升級中的對策

在石油鉆機改造升級中，管柱自動化處理系統是一個重要的環節。在改造升級過程中，可以優化布局設計，盡量將傳感器和設備放置在鉆井作業附近，以減少數據傳輸和能源損耗，提高實時性和效率，同時將設備面板應朝向操作人員，以便于其操作和監控，預留足夠的操作空間，以方便設備的維護和檢修。此外，對于高溫、高壓等危險設備，應設置防護罩或隔離區域，以防止意外傷害。其次，在布局設計中，應盡量采用標準化設計，采用統一的接口和連接方式，以便于設備的更換和升級，通過圖形化界面展示設備運行狀態和數據，以便于操作人員快速了解設備運行情況。也可將系統劃分為多個功能模塊，每個模塊負責一定的功能。這樣，在布局設計時，可以根據模塊的功能和相互關系進行合理布局，提高系統整體的運行效率和穩定性。遵循以上原則進行布局設計，可以實現管柱自動化處理系統的高效、穩定和安全運行，為石油鉆機改造升級提供有力的支持。

4 結語

綜上所述，通過在石油鉆機改造升級中引入鉆臺面排管機械手、液壓鉗智能控制系統、吊卡智能控制裝置、動力貓道等設備，能實現管柱操作過程的自動化，大大提高了鉆井效率和安全性。在未來的發展中，相關技術人員將繼續加大對管柱自動化處理系統的研究和開發力度，不斷優化系統性能，提高鉆井作業的質量和效率，為我國石油工業的可持續發展作出更大的貢獻。